HDPE複合材料の機械的および摩擦学的性能の向上におけるハイブリッドナノフィラーGNP/Al2O3の役割

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12447 (2023) この記事を引用

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HDPE の独特の機械的特性と耐摩耗性により、摩擦材料の代替としての可能性が得られます。 現在の研究は、最適な添加剤含有量を決定するために、さまざまな充填剤を含むハイブリッド ナノ粒子を使用することに焦点を当てています。 機械的および摩擦学的特性を検査および評価しました。 充填含量 0.5、1.0、1.5、および 2.0 wt.% の Al2O3 ナノ粒子 (NP) と 0.5、および 1.0 wt.% のグラフェン ナノプレートレット (GNP) を含む HDPE ナノ複合材料サンプルを製造しました。 結果は、ナノ添加剤の存在により、HDPE 複合材料の機械的特性と摩擦学的特性が良好に向上することを示しました。 HDPE ナノ複合材料は、ハイブリッド ナノフィラー Al2O3 NP と GNP の比率が等しい 2.0 wt.% の充填量で最高の性能を記録しました。

ポリエチレン（PE）は、コスト効率以外にも幅広い分野で非常に有用であるという特徴を備えた最も人気のあるポリマーの 1 つです。 高密度ポリエチレン HDPE は、形成プロファイルを制御するために適切な温度と圧力で製造されます。 HDPE のターゲット鎖は、わずかに分岐がいくつかある直鎖構造で形成されています1。 ポリマー構造の化学結合を強化するために、多くのナノマテリアルがポリエチレンの充填剤として採用されています。 PE ナノコンポジットの耐摩耗性と摩擦係数を評価するために、カーボン ナノファイバー、カーボン ナノチューブ、Al2O3 ナノ粒子などの多くのナノ添加剤が実行されました 2。 高密度ポリエチレン (HDPE) と超高分子量ポリエチレン (UHMWPE) は両方とも、多くの業界でベアリング材料として広く使用されています。 これは、優れた耐性特性と低い実効コストを備えているためです3。

自動車産業の摩擦材料 4,5、圧力パイプ 6、低速ベアリング 7 などの多くの分野では、主に HDPE がベースになっています。 一方、人工関節やウェアストリップなどの業界では、基材として UHMWPE が採用されています 8,9。 UHMWPE ナノコンポジットは、環境に優しい添加剤 (稲わらセルロース ナノファイバー) を添加することで製造に成功し、その結果、好ましい機械的強度、摩擦係数、摩耗率が抑制されました 10。 最近では、UHMWPE は人工股関節置換術のみに使用されるのではなく、膝関節置換術全体のベース材料としても使用されています 11,12。 数値モデルは、人工股関節置換術の摩耗を評価するために、ANSYS と MATLAB を使用して構築されました 13。 人工股関節の分野では、HDPE は高い耐摩耗性と低い摩擦力を発揮するように改良されています 14,15。 さらに、UHMWPE は年間 0.25 mm という低い摩耗率を実現しており、人工股関節の問題の制御に役立ちます9。

ここ数十年、世界ではポリマーの特性を開発し、改善する傾向にあります。 このことから、ナノフィラーは耐摩耗性と材料強度の向上において顕著な役割を果たしていることがわかりました 16、17、18、19。 HDPE にカーボン ナノチューブ (CNT)20、21 や酸化グラフェン 22、23、24 などのさまざまなナノ材料を組み込むことにより、HDPE の摩擦学的および機械的特性を強化するために、いくつかの研究が行われています。 Al2O3 ナノ粒子は、低コストであり、複合材料の摩擦学的および機械的性能の向上に役立つため、PE マトリックスにおける優れたフィラー要素です 5,25。 低充填量の Al2O3 NP をフィラーとして適用すると、トライボロジー性能が向上すると報告されています。 HDPEを0.1で強化しました。 0.2、0.3、0.4、および 0.5 wt.% の Al2O3 NP。 Al2O3 NP を添加することにより、ナノ複合材料は良好な反応を示します。 さらに、摩擦係数は 11% 減少し、硬度は 9.1% 増加しました5。 UHMWPE への Al2O3 NP の組み込みは、酸化の抑制と耐摩耗性の向上に重要な役割を果たします 26。 一方、CaCO3 NP で強化された HDPE では、剛性、亀裂成長抵抗性、および高い耐衝撃性が明らかに向上していることが記録されました 27。 MWCNT はポリマーマトリックスへの典型的なフィラーと考えられており、機械的および摩擦学的特性の変更に顕著な役割を果たし、耐用年数の延長に貢献します 28,29。 HDPEの充填材としてMWCNTを0.2〜2.0重量％の組成で採用した。 その結果、MWCNT 含有量が増加すると複合材料の摩耗率が減少することが明らかになりました 20。 さらに、HDPE ベースのナノ複合材料の摩擦性能を調整するために、ナノダイヤモンド ND、MWCNT、およびグラフェン ナノプレートレット GNP が追加されました。 HDPE/ND 複合材は、純粋な HDPE30 と比較して、明確な摩耗性能を示します。 フィラーと HDPE マトリックス間の結合反応により、せん断弾性率と耐摩耗性が向上すると結論付けることができます。 MWCNT/HDPE ナノ複合材料は、0.5、1.0、1.5、2.0、および 2.5 wt.% の配合量で採用されました。 ナノコンポジットの機械的特性は、配合量が 2.0 wt.% まで増加すると増加します。 組成 2.0 wt.% の MWCNT/HDPE ナノ複合材料は、最高のトライボロジー性能を示しました 31。